长江上游关键区主汛期典型涝年气候成因辨析

邢雯慧 王飞龙 邱辉 时玉龙

摘要：为从更精细的角度分析长江上游主汛期典型涝年的降雨特征及气候成因，将长江上游分为5个关键区，利用长江上游1961～2021年282个雨量站逐日降雨资料，通过Morlet小波分析等方法分析长江上游及5个关键区主汛期降雨特征并找出长江上游典型涝年进行分类，最后对不同型降雨典型涝年的水汽输送及气候成因进行了探讨。研究表明：① 长江上游与金沙江、长江上游干流降雨量的年际波动总体较为一致，异常涝年的出现时间也较为一致，嘉陵江、岷沱江流域年际波动的阶段性突变较为明显，乌江流域的年际波动则较为平稳；长江上游及5个关键区降雨量周期变化较为一致，均存在3 a左右的振荡周期。② 长江上游典型涝年5个关键区降雨可分为3类，分别为关键区一致多型、关键区四多一少型及关键区三多两少型。③ 长江上游主汛期不同型降雨的水汽输送来源存在一定差异，关键区一致多型及关键区四多一少型水汽输送主要来自西太平洋及孟加拉湾，而关键区三多两少型水汽输送主要来自西太平洋及南海。④ 青藏高原积雪偏多有利于长江上游降水量偏多；关键区一致多型一般发生于暖海温向冷海温转折变化的年份，而关键区四多一少型及关键区三多两少型一般发生在冬季海温偏冷的年份。

摘要：降雨特征； 气候成因； 典型涝年； 水汽输送； 长江上游

中图法分类号： P461+.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.013

0 引 言

洪涝灾害是中国较为严重的自然灾害之一，而长江上游水系发达、地形复杂，雨量充沛，既受东南季风及西南季风的影响，又受青藏高原的影响，是洪涝灾害的高发区［1-4］。因此，正确认识长江上游典型涝年的降雨特征及其气候成因对于长江上游地区防洪及水资源高效利用具有重大意义，也可为长江上游地区的经济发展提供有价值的科学依据。

洪涝灾害的形成及其严重程度往往是由各地降水过程在时空尺度上非均匀分布造成的［5-7］，关于长江上游的洪涝特征及气候成因等方面目前已有较多研究，杨金虎［8］、李永华［9］等对近60 a来西南地区旱涝变化及极端和持续性特征进行研究，发现持续性洪涝事件的强度无明显变化趋势，发生频率有减少趋势；杨文发等［10］通过对“20·8”与“81·7”长江上游暴雨洪水特征对比分析，发现两次洪水在暴雨持续时间、强度、范围等存在差异；王乐等［11-12］基于SPI指数的分析发现长江上游各季节旱涝分布空间不均匀性显著，长江上游西部趋于涝，东部、南部趋于旱；刘志雄等［13］利用Z指数分析发现长江上游年及四季旱涝有明显的年代际变化特征，长江上游四季旱涝与500 hPa高度场分布形势有密切关系；李跃清［14］指出青藏高原东侧大气边界层风场演变与长江上游暴雨和洪水密切相关；邱辉等［15］研究了2020年长江流域暴雨成因，发现2020年8月中旬，副高异常偏北，来自孟加拉湾和南海的暖湿气流偏强，受多个西南涡及多轮冷空气的影响，加上地形和台风的助力作用，为嘉陵江、岷沱江流域持续暴雨提供了有利的动力、热力和水汽条件。上述研究绝大部分关注长江上游流域整体情况或某一个重点区域，对于典型涝年中长江上游不同区域间的对比及差异研究相对较少。

本文根据长江上游各支流自然属性、降雨和来水特征［16-18］将长江上游分为5个关键区，并根据长江上游主汛期（6～8月，下同）典型涝年中各个关键区降雨的响应特征进行分类，从更精细的角度分析长江上游不同型降雨典型涝年的气候成因，为提升长江上游长期预报精度提供有价值的参考，为长江上游水旱灾害防御、水资源综合利用等调度决策的制定提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料及研究区域划分

长江上游即指长江源头到湖北省宜昌段集水区，干流全长4 504 km，占长江全长的72%，流域控制面积约110万km2。本文根据长江上游各支流自然属性、降雨和来水特征，结合流域下垫面特征及流域内重点水库站和重点水文站的控制范围，将长江上游分为5个关键区，分别是金沙江、嘉陵江、岷沱江、乌江及长江上游干流，具体分区如图1所示。

研究所用降雨资料为长江水利委员会水文局和湖北省气象局联合制作的长江上游1961～2021年282个雨量站逐日（北京时间08：00至次日08：00）降雨资料。

1.2 Morlet小波分析

本研究对降水量的周期特征分析主要采用Morlet小波分析方法。

Morlet小波作为复数小波，它的实部和虚部位相相差π/2，消除了实数形式小波在变换过程中系数模的振荡，并且从Morlet小波系数中可以分离出模和位相。

Morlet小波定义为

t=12eicte-t2（1）

式中：t表示Morlet小波基函数；i表示虚数单位；c表示频率；t表示时间。

对于时间序列f（t）∈L2（R），其连续小波变换定义为

Wfa，b=a-12∫∞-∞f（t）t-badt（2）

式中：Wfa，b为小波（变换）系数；a为缩放因子（对应于频率信息），反映小波的周期长度；b为时间平移因子（对应于时空信息），反映时间上的平移。

当a相同时，小波变换系数随时间变化过程反映系数在该尺度下的变化特征：小波变换系数正值对应于偏多期，小波变换系数负值对应于偏少期，小波变换系数为零对应着突变点；小波变换系数绝对值越大，说明该时间尺度变化越显著。将时间域上關于a的所有小波变换系数的平方进行积分，即为小波方差：

vara=∫∞-∞Wfa，b2db（3）

在尺度a下，vara表示时间序列中该尺度周期波动的强弱。小波方差随尺度a的变化过程称为小波方差图。它反映了降水时间序列中所包含的周期波动，通过小波方差图可以确定降水系列中存在的主要时间尺度，即主周期［19］。

2 降水量演变特征

长江上游及5个关键区主汛期降水量1961～2021年变化特征如图2所示。由图2（a）、（b）、（c）可知，长江上游与金沙江、长江上游干流主汛期降雨量的年际波动趋势总体较为一致，异常涝年的出现时间也较为一致。由图2（d）可知，岷沱江在2016年之前主汛期降雨距平基本在±20%之间波动，2016年以后主汛期降雨量出现一个明显的突变，连续3 a异常偏多。由图2（e）可知，嘉陵江主汛期降雨量在1981年及2020年后出现异常偏多的现象，其余时间距平基本在±20%之间波动。由图2（f）可知，乌江主汛期降雨量波动较为平稳，基本在±20%之间波动。

采用Morlet小波分析来研究长江上游及5个关键区主汛期降水量的周期特征，结果见图3。由图3（a）可知，长江上游在1990～2015年间存在2个3 a左右的振荡周期，降水在3 a时间尺度上的2个明显峰值均通过了95%显著性检验，说明长江上游主汛期降水量在3 a左右的振荡周期最强。由图3（b）可知，长江上游干流在1995～2000年间存在一个3 a左右的振荡周期，降水在3 a时间尺度上的一个峰值通过了95%显著性检验，说明长江上游干流主汛期降水量在3 a左右的振荡周期最明显。由图3（c）可知，金沙江流域在1975～1980年间及2000～2015年间各存在一个6 a左右的振荡周期，降水在6 a时间尺度上的峰值通过了95%显著性检验。另外，在1995～2015年间存在一个3 a左右的振荡周期，降水在3 a时间尺度上存在的峰值通过了95%显著性检验，说明金沙江流域主汛期降水量在6 a及3 a左右的振荡周期均比较明显。由图3（d）可知，岷沱江在1990～2015年间存在两个3 a左右的振荡周期，降水在3 a时间尺度上的两个峰值均通过了95%显著性检验，说明岷沱江流域主汛期降水量在3 a左右的振荡周期最强。由图3（e）可知，嘉陵江在1995～2010年间存在一个3 a左右的振荡周期，降水在3 a时间尺度上的峰值通过了95%显著性检验，说明嘉陵江流域主汛期降水量在3 a左右的振荡周期最强。由图3（f）可知，乌江在1990～2000年间存在一个3 a左右的振荡周期，降水在3 a时间尺度上的峰值通过了95%显著性检验，说明乌江流域主汛期降水量在3 a左右的振荡周期比较明显。

由上述分析可知，长江上游及5个关键区主汛期降水量周期变化比较一致，均存在3 a左右的振荡周期。

对1961～2021年主汛期（6～8月）长江上游降雨量进行分析，雨量明显偏多年份分别为1962，1965，1974，1980，1981，1998，2014，2018，2020，2021年。分别分析上述典型年份5个关键区降雨，可将降雨类型分为3类，分别为关键区一致多型、关键区四多一少型及关键区三多两少型（见表1）。关键区一致多型降雨典型年分别为1998年和2020年等长江发生流域性大洪水年份；关键区四多一少型典型年分别为1962，1965，1974，1980，2014，2021年；关键区三多两少型典型年分别为1981年和2018年，这两年分别有1个关键区降雨量异常偏多，1981年嘉陵江偏多58%，2018年岷沱江偏多58%。

3 典型年水汽输送特征

基于上述分析，对主汛期不同型降雨典型年份的水汽输送进行分析，由于气候态的变化，重点针对1981年以来主汛期不同型降雨典型年份进行分析。影响长江流域的水汽主要源自孟加拉湾、南海及西太平洋［20］，长江上游典型年主汛期水汽输送距平场见图4。由图4（a）与图4（b）可知，关键区一致多型典型年中（1998年和2020年）主汛期长江上游的水汽输送主要来自西太平洋及孟加拉湾，西太平洋存在一个极强反气旋，说明此处副热带高压主体非常稳定，长江上游大部分地区水汽输送通量散度表现为较强的负距平，表明长江上游的水汽辐合较强，对长江上游的降雨极为有利。由图4（c）、（d）可知，关键区四多一少型典型年中（2014年和2021年）主汛期主要来自西太平洋及孟加拉湾的水汽输送较强，长江上游大部分地区水汽输送通量散度表现为极强的负距平，表明长江上游的水汽辐合较强，对长江上游的降雨极为有利。由图4（e）、（f）可知，关键区三多两少型典型年中（1981年和2018年）主汛期长江上游的水汽输送主要来自西太平洋及南海，长江上游大部分地区水汽输送通量散度也表现为较强的负距平，长江上游的水汽辐合比较强，对长江上游的降雨也较为有利。

由上述分析可知，长江上游主汛期不同型降雨的水汽输送存在一定差异，关键区一致多型及关键区四多一少型主汛期长江上游的水汽输送主要来自西太平洋及孟加拉湾，而关键区三多两少型主汛期长江上游的水汽输送主要来自西太平洋及南海。

4 气候成因分析

为探究长江上游主汛期不同型降雨异常的气候成因，对典型年份青藏高原积雪覆盖率及Nino3.4区海温的逐月变化进行分析，如图5与图6所示。由图5可知，关键区一致多型典型年中（1998年和2020年）从前冬至春季结束，青藏高原积雪均表现为偏多，其中，在1998年中3月份距平达到极大值，在2020年中1月份距平达到极大值。关键区四多一少型典型年中（2014年和2021年）前冬至春季前期青藏高原积雪存在差异，其中，2014年偏多，2021年偏少，但在春季后期至夏季，青藏高原积雪均表现为偏少且强度相当。关键区三多两少型典型年中（1981年和2018年）从前冬至春季结束，青藏高原积雪整体均表现为偏多，其中，1981年冬季到夏季，青藏高原积雪均表现为偏多，2018年冬季前期积雪偏少，此后转为偏多，春季后期到夏季积雪面积接近常年到略偏少。

由图6可知，关键区一致多型典型年（1998年和2020年）均属于暖海温向冷海温的转折年，其中，1997年4月至1998年5月赤道中东太平洋发生一次极强东部型+中部型厄尔尼诺事件，此后海温转为偏冷状态；2018年9月至2019年6月，赤道中东太平洋发生了一次弱的中部型厄尔尼诺事件，2019年7月至2020年春季Nino3.4区海温一直维持中性偏暖状态后海温转为偏冷状态。关键区四多一少型典型年（2014年和2021年）冬季赤道中东太平洋海温均偏冷但后期海温的发展存在一定的差异。其中，2014年赤道中东太平洋海温从春季开始由冷状态转为暖状态；而2021年则海温一直维持冷状态，2020年8月至2021年3月赤道中东太平洋地区发生一次拉尼娜事件，4～9月，赤道中東太平洋地区海表温度处于中性偏冷状态，10月开始，赤道中东太平洋地区再次进入拉尼娜状态，并于2022年冬季形成一次弱到中等强度的拉尼娜事件。关键区三多两少型典型年（1981年和2018年）冬季赤道中东太平洋海温均偏冷但后期的发展存在一定差异，其中，1981年冬季到夏季赤道中东太平洋海温一直处于中性偏冷状态；而2018年前冬赤道中东太平洋处于中性偏冷状态春季后期海温转为中性偏暖状态。

由上述分析可知，长江上游主汛期关键区一致多型一般发生于暖海温向冷海温转折变化的年份，而关键区四多一少型及关键区三多两少型一般发生在冬季海温偏冷的年份。整体而言，青藏高原积雪偏多有利于长江上游降水量偏多，长江上游主汛期关键区一致多型及关键区三多两少型一般冬春季青藏高原积雪明显偏多，而关键区四多一少型冬季青藏高原积雪存在一定差异，对降雨的指示意义较弱。

5 结 论

本文根据长江上游各支流自然属性、降雨和来水特征，将长江上游分为5个关键区，分别对长江上游及5个关键区主汛期的降雨特征及典型年份的水汽输送、气候成因等方面进行分析，得到以下结论：

（1） 分别分析长江上游典型年份5个关键区主汛期降雨响应特征，可将典型年降雨类型分为3类，分别为关键区一致多型、关键区四多一少型及关键区三多两少型。

（2） 分析长江上游及5个关键区降雨量的年际波动，可以发现长江上游与金沙江、长江上游干流的年际波动总体较为一致，异常涝年的出现时间也较为一致，嘉陵江、岷沱江流域年际波动的阶段性突变较为明显，乌江流域的年际波动则较为平稳；采用Morlet小波分析对长江上游及5个关键区主汛期的降水量进行周期分析可知，长江上游及5个关键区主汛期降水量周期变化比较一致，均存在3 a左右的振荡周期。

（3） 对主汛期不同型降雨典型年份的水汽输送进行分析，发现长江上游主汛期不同型降雨的水汽输送来源存在一定差异，关键区一致多型及关键区四多一少型主汛期长江上游的水汽输送主要来自西太平洋及孟加拉湾，而关键区三多两少型主汛期长江上游的水汽输送主要来自西太平洋及南海。

（4） 在不同型降雨典型年的分析中，发现长江上游主汛期关键区一致多型一般发生于暖海温向冷海温转折变化的年份，而关键区四多一少型及关键区三多两少型一般发生在冬季海温偏冷的年份。整体而言，青藏高原积雪偏多有利于长江上游降水量偏多，长江上游主汛期关键区一致多型及关键区三多两少型一般冬春季青藏高原积雪明显偏多，而关键区四多一少型冬季青藏高原积雪存在一定差异，对降雨的指示意义较弱。

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（編辑：郭甜甜）

Climatic causes of typical flooding years during main flood season in key areas of upper reaches of Changjiang River

XING Wenhui1，WANG Feilong2，QIU Hui1，SHI Yulong2

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.China Three Gorges Corporation，Yichang 443100，China）

Abstract：

To analyze the rainfall characteristics and climatic causes of typical flood years during the main flood season in the upper reaches of the Changjiang River from a more detailed perspective，this study divided the upper reaches of the Changjiang River into five key areas.Then using the daily rainfall data from 282 rainfall stations in the upper reaches of the Changjiang River from 1961 to 2021，we analyzed the rainfall characteristics of the main flood season in the upper reaches of the Changjiang River and the five key areas by Morlet wavelet analysis，and classified the typical flooding years.Finally we explored the water vapor transport and the climatic causes of the typical flooding years with different types of rainfall.The results showed that：① The interannual fluctuations of rainfall in the upper reaches of the Changjiang River，Jinsha River and the upper main stream of the Changjiang River were consistent on the whole，and the occurrence time of abnormal wet years was consistent.The rainfall cycles in the upper reaches of the Changjiang River and the five key regions were consistent，with a three-year oscillation cycle.② The rainfall in the five key areas of the upper reaches of the Changjiang River in typical wet years could be divided into three categories：uniform polytype in the key area，four-over-one-under type in the key area，and three-over-two-under type in the key area.③ There were differences in the water vapor transport sources of different rainfall types in the upper reaches of the Changjiang River during the main flood season.The water vapor transport of uniform polytype and four-over-one-under type in the key area were mainly from the Western Pacific and the Bay of Bengal，while the water vapor transport of three-over-two-under type in the key area was mainly from the Western Pacific and the South China Sea.④ More snow cover on the Qinghai-Tibet Plateau is conducive to more precipitation in the upper reaches of the Changjiang River.The uniform polytype in the key area generally occurred in the years when the warm sea temperature changed to the cold sea temperature.The four-over-one-under type and three-over-two-under type in the key area generally occurred in the years when the winter sea temperature was cold.

Key words：

rainfall characteristics；climatic causes；typical flooding years；water vapor transport；upper reaches of Changjiang River